Проектирование аналоговых и цифровых устройств

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
АНАЛОГОВЫХ 
И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Москва
ИНФРА-М
2019

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В.С. ТИТОВ
В.И. ИВАНОВ
М.В. БОБЫРЬ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
по образованию в области прикладной информатики
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся 
по направлению 09.03.03 «Прикладная информатика»
и другим экономическим специальностям

УДК 004.9(075.8)
ББК 73я73
 
T45

Р е ц е н з е н т ы:
А.Л. Беломестная – канд. техн. наук, инженер-конструктор 3-й категории 
ОХП ОКБ «Авиаавтоматика» Курского ОАО «Прибор»; 
А.С. Сизов – д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ, 
главный научный сотрудник НИЦ (г. Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

Об авторах:
В.С. Титов – д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой вычислительной техники 
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения 
высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный 
университет» (ЮЗГУ);
В.И. Иванов – канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры вычислительной 
техники Федерального государственного бюджетного образовательного 
учреждения высшего профессионального образования «Юго-Западный 
государственный университет» (ЮЗГУ);
М.В. Бобырь – д-р техн. наук, доцент кафедры вычислительной техники 
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный 
университет» (ЮЗГУ)

Титов В.С.
Проектирование аналоговых и цифровых устройств : 
учеб. пособие / В.С. Титов, В.И. Иванов, М.В. Бобырь. – 
М. : ИНФРА-М, 2019. – 143 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/822.

ISBN 978-5-16-009101-3 (print)
ISBN 978-5-16-100990-1 (online)

Учебное пособие соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту направления 230100.62 и 230100.68 «Информатика 
и вычислительная техника». Содержит материал, необходимый для формирования у студентов знаний основ аналоговой и цифровой схемотехники и принципов построения цифровых узлов, привития навыков разработки и проектирования цифровых устройств, а также выполнения практических работ и курсового проекта по дисциплине «Электротехника, 
электроника и схемотехника».
Рассмотрены методы расчета аналоговых схем и синтеза дискретных 
устройств комбинационного типа и автоматов с памятью. Приведены примеры расчета аналоговых схем и реализации цифровых устройств различного назначения на интегральных схемах.
Учебное пособие может быть полезным для студентов специальностей 
«Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», 
«Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и «Комплексная 
защита объектов информатизации».
ББК 73я73

T45

© Коллектив авторов, 2014
ISBN 978-5-16-009101-3 (print)
ISBN 978-5-16-100990-1 (online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Предисловие

Данное учебное пособие предназначено для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению 230100.62 
и 230100.68 «Информатика и вычислительная техника».
Большинство современных систем обработки информации, автоматики и вычислительной техники выполняются на аналоговых 
и цифровых устройствах. Поэтому знание принципов расчета аналоговых и построения цифровых устройств различного назначения 
имеет актуальное значение и большую практическую ценность в инженерной деятельности специалиста.
Материал пособия условно можно разделить на три части:
1) расчет аналоговых устройств;
2) комбинационные устройства цифровой техники;
3) последовательностные логические устройства цифровой техники.
В первой главе рассмотрены типовые аналоговые схемы. Особое 
вниманию уделено примерам расчета электронных схем и усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, а также проектированию схем на операционных усилителях.
Во второй главе рассмотрены методы и приемы синтеза цифровых устройств комбинационного типа. Приведены примеры проектирования преобразователей кодов, арифметических сумматоров 
и вычитателей, матричных умножителей. Представлены варианты 
реализации комбинационных цепей на интегральных схемах. Рассмотрен один из вариантов проектирования цифрового устройства 
для реализации нечетко-логического вывода.
В третьей главе изложены методы проектирования дискретных 
устройств с памятью. Рассмотрены примеры создания операционных 
автоматов с заданным алгоритмом функционирования, счетчиков 
с недвоичным кодированием, распределителей тактов на сдвиговых 
регистрах.
Пособие может быть использовано при изучении дисциплины 
«Электротехника, электроника и схемотехника» и, в частности, как 
руководство по курсовому проектированию по данной дисциплине.

Пособие подготовлено преподавателями кафедры вычислительной техники Юго-Западного государственного университета — профессором В.С. Титовым, доцентами В.И. Ивановым и М.В. Бобырь.
Авторы стремились изложить материал книги с учетом последних 
исследований и достижений в области аналоговой и цифровой электроники.
Учебное пособие выполнено в рамках исследований по Гранту 
Президента МК-277.2012.8 и Федеральной целевой программы  
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 
№ 14.740.11.1003.
Авторы будут благодарны за критические замечания и предложения по совершенствованию пособия.

Введение

Расчет аналоговых устройств и курсовое проектирование являются значительным этапом в изучении основ электроники и схемотехники ЭВМ и принципов построения цифровых устройств. Работа 
по решению расчетно-графических работ по электронике и над проектом направлена на приобретение практических навыков разработки и проектирования цифро-аналоговых устройств.
Тематика практических работ и курсового проекта по дисциплине 
«Электротехника, электроника и схемотехника» направления подготовки бакалавров и магистров 230100.62 и 230100.68 «Информатика 
и вычислительная техника» охватывает основные разделы этой дисциплины. Цель расчетно-графических работ и проекта заключается 
в анализе работы аналоговых устройств и выполнении схемотехнического проектирования дискретных устройств на интегральных схемах (ИС), выполняющих заданные функции преобразования цифровой информации. Также в учебном пособии рассмотрены вопросы, 
связанные с проектированием цифровых устройств для реализации 
нечетко-логических операций, а именно нечетко-логического вывода. 
При этом объектом курсового проектирования являются арифметикологические узлы комбинационного типа и синхронные последовательностные схемы, содержащие элементы памяти. Успешное решение задач, представленных в учебном пособии, позволит студенту:
1) систематизировать и закрепить теоретические знания в области электроники и схемотехники ЭВМ;
2) развить практические навыки по синтезу аналоговых и цифровых устройств;
3) приобрести опыт инженерного расчета аналоговых и цифровых устройств, выполняемых на базе ИС;
4) освоить правила выполнения принципиальных схем аналоговых и цифровых устройств, оформления текстовых и графических 
материалов.
Все аналоговые и цифровые устройства (ЦУ) принято разбивать 
на два класса: комбинационные цепи (КЦ) и последовательностные 
ЦУ (автоматы с памятью — АП).
Отличительные особенности этих классов ЦУ состоят в следующем. Для КЦ значения выходных переменных в некоторый момент 
времени определяются только значениями входных переменных 
в тот же момент времени. Для АП значения выходных переменных 
определяются не только входными переменными в данный момент, 
но и их значениями в предшествующие моменты времени. Изменения значений входных переменных ЦУ происходят дискретно во 

времени. Временные интервалы, в течение которых эти значения 
сохраняются неизменными, называют тактами работы ЦУ.
В процессе работы над курсовым проектом должны быть рассмотрены и решены следующие задачи:
1) синтез структуры и разработка принципиальной схемы проектируемого устройства комбинационого типа; анализ быстродействия 
устройства; моделирование функционирования устройства на компьютере;
2) синтез дискретного устройства последовательностного типа 
с памятью на статических триггерах выбранного типа; анализ устойчивости и способности самовосстановления после сбоя.
Элементной базой современных цифровых устройств и систем 
являются цифровые ИС. Номенклатура выпускаемых промышленностью цифровых ИС достаточно обширна и, следовательно, весьма 
разнообразны реализуемые ими функции преобразования. Простейшие преобразования над цифровыми сигналами осуществляют цифровые ИС, получившие названия логических элементов (ЛЭ).
Для описания работы цифровых ИС, а следовательно, и устройств, 
построенных на их основе, используется математический аппарат 
алгебры логики (булевой алгебры). Возможность применения булевой алгебры для решения задач анализа и синтеза цифровых 
устройств обусловлена аналогией понятий и категорий этой алгебры 
и двоичной системы счисления, которая положена в основу представления преобразуемых устройством сигналов.

Глава 1.  РАСЧЕТ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. 
АкТиВНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛюСНик

Активный четырехполюсник (АЧ) — это многополюсник, 
имеющий четыре точки подключения. При этом две точки являются 
входом аналоговой схемы, а две другие — ее выходом.
Состояния входных и выходных сигналов определяются четырьмя параметрами: напряжением и током во входной (∆u11, ∆i1) и выходной (∆u22, ∆i2) цепях (рис. 1.1).

∆i1 
∆i2 

∆u22
∆u11

Рис. 1.1.  Схема активного четырехполюсника

Как правило, на входные зажимы активного четырехполюсника 
подается исходный сигнал, с выходных — снимается преобразованный. Четырехполюсниками являются: стабилизаторы напряжения, 
электронные усилители, фильтры и т.д.
Различают четыре вида активных четырехполюсников:
1) источники напряжения, управляемые напряжением, — ИНУН;
2) источники напряжения, управляемые током, — ИНУТ;
3) источники тока, управляемые током, — ИТУТ;
4) источники тока, управляемые напряжением, — ИТУН.
Категории ИТУТ соответствуют биполярные транзисторы. Малые 
приращения входного напряжения  ∆u11  и выходного тока  ∆i2 являются функциями входного тока  ∆i1  и выходного напряжения ∆u22:

∆u11 = h11∆i1 + h12∆u22;

∆i2 = h21∆i1 + h22∆u22.

Параметры активного четырехполюсника:
 
• h11 = ∆u11/∆i1 — входное сопротивление (кОм) при  ∆u22 = 0;
 
• h12 = ∆u11/∆u22 — коэффициент обратной связи при  ∆i1 = 0;
 
• h21 = ∆i2/∆i1 — коэффициент передачи тока при  ∆u22 = 0;
 
• h22 = ∆i2/∆u22 — выходная проводимость (мСм) при  ∆i1 = 0.
Выходное напряжение на нагрузке равно

∆
∆
u
h
i R
22
21
1
= −
экв.

Эквивалентная схема активного четырехполюсника приведена 
на рис. 1.2.

Рис. 1.2.  Эквивалентная схема активного четырехполюсника

Эквивалентное сопротивление  Rэкв  включает в себя нагрузку  Rн 
и выходную проводимость четырехполюсника  h22:

R
R
h
R
h R
экв
н
н

н
=
= +
1
1
22
22
.

Коэффициент усиления по напряжению:

K
u
E
h
i R
i R
R
h R
R
R
u =
=
+
(
)
=
+
∆
∆
∆

2
21
1

1

21

г

кв

ист
вх

кв

ист
вх

э
э
,

где  Rист — внутреннее сопротивление источника напряжения.
Входное сопротивление  Rвх  активного четырехполюсника рассчитывается как:

R
u
i
h
i
h
u
i
h
h h R
вх
кв
=
=
+
=
−
∆
∆
∆
∆
∆

11

1

11
1
12
22

1
11
21 12
э
.

При отключенной нагрузке, т.е. при  Rн = ∞,  эквивалентное сопротивление холостого хода найдется:

R
h
экв хх = 1

22
.

И тогда входное сопротивление холостого хода определится как:

R
h
h h
h
вх хх =
−
11
21 12

22
,

и усиление будет максимальным:

K
h

h
R
R
u хх
ист
вх хх
=
+
(
)

21

22
.


 Заданиедлярасчетнойработы
1. Построить график входной характеристики по табл. 1.1.
График, описывающий входную вольт-амперную характеристику 
активного четырехполюсника, составленный по данным табл. 1.1, должен выглядеть аналогично графику, представленному на рис. 1.3.

Таблица 1.1
Данные для построения графика входной характеристики  
активного четырехполюсника

u11, мВ
i1, мкА
u11, мВ
i1, мкА

5
0,53
105
35,8
10
1,11
110
40,1
15
1,75
115
44,9
20
2,46
120
50,1
25
3,24
125
55,9
30
4,11
130
62,3
35
5,07
135
69,4
40
6,13
140
77,2
45
7,30
145
85,9
50
8,59
150
95,4
55
10,0
155
106,0
60
11,6
160
117,7
65
13,3
165
130,6
70
15,3
170
144,8
75
17,4
175
160,6
80
19,8
180
178,0
85
22,4
185
197,2
90
25,2
190
218,5
95
28,4
195
242,0
100
31,9
200
268,0

Рис. 1.3.  Входная характеристика активного четырехполюсника

2. Вычислить дифференциальное входное сопротивление h11 
(кОм) в заданной рабочей точке (при заданном в табл. 1.2 токе I1.0).
3. По выходным характеристикам (рис. 1.4–1.7 согласно варианту) определить дифференциальные параметры  h21 и  h22  (h22, 
мСм).

4. Рассчитать эквивалентное сопротивление Rэкв,  входное сопротивление четырехполюсника Rвх, коэффициент усиления по напряжению при отключенной нагрузке Кu xx и при подключении нагрузки  Кu.

 
d
Пример расчета параметров активного четырехполюсника для 
варианта № 26 (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Варианты заданий для расчета параметров  
активного четырехполюсника

№ 
п/п
Ток покоя 
I1.0, мкА
Тип выходных 
характеристик
h12
Нагрузка Rн, 
кОм
Rист, кОм

1
105
1
0,0004
3,0
0,25

2
65
2
0,0005
2,5
0,33

3
70
3
0,0003
3,3
0,40

4
100
4
0,0006
2,7
0,30

5
80
1
0,0002
3,2
0,35

6
85
2
0,0004
3,5
0,25

7
90
3
0,0005
2,4
0,33

8
75
4
0,0003
3,0
0,40

9
110
1
0,0006
2,5
0,30

10
70
2
0,0002
3,3
0,35

11
90
3
0,0004
2,7
0,25

12
60
4
0,0005
3,2
0,33

13
95
1
0,0003
3,5
0,40

14
65
2
0,0006
2,4
0,30

15
80
3
0,0002
3,0
0,35

16
75
4
0,0004
2,5
0,25

17
105
1
0,0005
3,3
0,33

18
60
2
0,0003
2,7
0,40

19
85
3
0,0006
3,2
0,30

20
100
4
0,0002
2,5
0,35

21
65
1
0,0003
3,3
0,25

22
95
2
0,0005
2,7
0,33

23
70
3
0,0006
3,2
0,40

24
90
4
0,0003
3,5
0,35

25
110
1
0,0005
2,4
0,30

26
125
2
0,0002
2,5
0,25